CN117055000A - 基于信噪比加权融合的多通道雷达目标检测方法 - Google Patents

基于信噪比加权融合的多通道雷达目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于信噪比加权融合的多通道雷达目标检测方法，实现步骤为：初始化多通道雷达目标检测系统；每个雷达通道计算局部检验统计量并对其进行单调变换；每个雷达通道计算每个局部检验统计量的信噪比加权值；信号融合中心计算多通道雷达目标检测系统的全局门限；获取目标检测结果。本发明中信号融合中心通过每个雷达通道的信噪比加权值对多通道雷达的局部检验统计量进行加权融合，以获取全局检验统计量，在局部检验统计量具有相同分布形式时，全局检验统计量包含有局部检验统计量信息和信噪比信息，在局部检验统计量具有不同分布形式时，全局检验统计量包含有局部检验统计量和信噪比信息，减少了信息量损失，有效提高了检测概率。

Description

基于信噪比加权融合的多通道雷达目标检测方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于信噪比加权融合的多通道雷达目标检测方法。
背景技术
多通道雷达系统是由一个融合中心和多个雷达通道构成，多个雷达通道接收来自同一监视区域的回波信号，每个雷达通道对接收信号进行预处理形成局部检验统计量，并通过无线或者有线通信传输到融合中心，融合中心对所有的局部检验统计量进行融合判决目标是否存在监视区域内。
在多通道雷达系统中，雷达通道的参数、接收回波信号的距离单元数、回波信号分布、不同背景噪声水平以及不同的检测算法等不同因素会导致每个雷达通道计算得到的局部检验统计量的分布可能是各不相同的。若局部检验统计量的分布形式相同，则称为这些检验统计量是同构的，否则，这些局部检验统计量是异构的。由于以上不同雷达通道的差异因素，实际中的多通道雷达的检验统计量通常是异构的。
在多通道雷达系统中，最优的融合设计准则是对局部雷达通道的回波信号直接采用尼曼皮尔逊的似然比融合准则，这种方法虽然是最优的，但需要知道每个站接收回波信号的幅度、相位、噪声协方差等具体参数值，通常这些参数是未知的，因此局部雷达通道通常会对回波信号进行预处理形成局部检验统计量，再对局部检验统计量采用似然比融合准则得到全局检验统计量。在接收回波信号中部分参数未知的情况下，可以在局部雷达通道中采用一些恒虚警检测算法对回波观测量进行预处理，如广义似然比检测算法、单元平均恒虚警检测算法以及自适应匹配滤波算法等常用恒虚警算法；若回波信号中的幅度以及噪声功率已知，在局部雷达通道中可采用平方律检测算法对回波信号进行预处理。但是通常来说基于局部检验统计量进行似然比融合得到的全局检验统计量的分布函数难以用具体闭式表达式表示，因此全局门限也难以精确获得。另外针对回波信号的多个参数未知的场景，也可使用广义似然比融合准则，该融合准则是对所有回波信号的未知参数进行最大似然估计，从而将未知参数估计值代入回波信号的似然比中得到全局检验统计量，在雷达通道接收的回波信号相互统计独立的情况下，该统计量的形式表现为局部雷达通道广义似然比检测算法的检验统计量的等加权求和。此外，还有一种判决融合准则，常见的判决融合准则包括AND和OR融合准则。在判决融合过程中，局部雷达通道对其接收回波信号判决监视区域有无目标存在，局部判决信号为0和1将被传入融合中心，融合中心在接收到局部判决信号后，采用AND和OR融合准则进行融合判决。由于融合中心只接收来自雷达通道的二元判决信号，信息量损失较多，从而导致采用判决融合检测算法的多通道雷达目标检测系统的检测概率通常较低。
当局部检验统计量的分布形式相同时，现有的多通道雷达目标检测方法的全局检验统计量是通过对局部检验统计量进行加权求和计算得到，其中权值未包含信噪比信息。理论分析可知，局部雷达通道接收到回波信号的信噪比越高，其局部雷达通道对目标的检测概率越高，则对应的局部检验统计量在融合的过程中占的比重更高，对最终的判决结果起的作用更大。
当局部检验统计量的分布形式不同时，现有的多通道雷达目标检测方法的全局检验统计量是通过接收局部通道传送到融合中心的二元判决信息进行判决融合计算得到的，不仅没有包含信噪比信息，而且由于融合中心接收的二元判决信息导致全局检验统计量所含信息量较少，这导致多通道雷达目标检测系统采用判决融合检测算法后的检测概率较低的情况。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于信噪比加权融合的多通道雷达目标检测方法，用于解决现有技术中存在的检测概率较低的技术问题。
本发明的技术思路是：首先建立多通道雷达目标检测系统，然后计算每个雷达通道的局部检验统计量，并且选择单调函数并对局部检验统计量进行单调变换得到新的局部检验统计量并计算其对数似然比函数，然后计算对数似然比函数的泰勒展开点，并通过对数似然比的一阶导数，计算每个雷达通道对应的单调变换后的局部检验统计量的信噪比加权值，根据权值和单调变换后的局部检验统计量计算全局检验统计量，通过全局检验统计量在融合中心判决目标检测区域Ω中是否存在目标，具体实现步骤为：
(1)初始化多通道雷达目标检测系统：
初始化多通道雷达目标检测系统包括信号融合中心Ce和N个雷达通道R＝{rn|n＝1,2,…,N}，目标检测区域Ω，其中，N≥2，rn表示第n个雷达通道；
(2)每个雷达通道计算局部检验统计量并对其进行单调变换：
每个雷达通道rn根据接收的回波信号通过自己的检测算法计算自己的局部检验统计量zn，并通过选择的单调函数gn(x)对局部检验统计量zn进行单调变换，得到每个雷达通道rn对应的单调变换后的局部检验统计量qn；
(3)每个雷达通道计算每个局部检验统计量的信噪比加权值：
每个雷达通道rn根据目标存在假设下回波信号信噪比估计值为λn时qn的概率密度函数计算对数似然比函数ln(q|λn)的泰勒展开点/>并采用对数似然比函数ln(q|λn)，通过λn和/>计算局部检验统计量qn的信噪比加权值wn，得到N个检验统计量Q的信噪比加权值集合W＝{wn|n＝1,2,…,N}，其中，ln(q|λn)表示在目标存在假设下回波信号信噪比估计值为λn时雷达通道rn的检验统计量qn的对数似然比函数；
(4)信号融合中心计算多通道雷达目标检测系统的全局门限：
信号融合中心Ce通过每个雷达通道rn的信噪比加权值wn对N个局部检验统计量进行加权融合，得到多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y；同时计算目标检测区域Ω中目标不存在假设下多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y的分布函数F0(y)；并通过F0(y)计算多通道雷达目标检测系统的全局门限g；
(5)获取目标检测结果：
信号融合中心Ce判断Y≥g是否成立，若是，则目标检测区域Ω中存在目标，否则，则Ω中不存在目标。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明中每个雷达通道通过满足一定条件的单调函数对局部检验统计量进行单调变换，信号融合中心通过每个雷达通道的信噪比加权值对多通道雷达的局部检验统计量进行加权融合，以获取多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量，在局部检验统计量具有相同分布形式时，全局检验统计量包含有局部检验统计量信息和信噪比信息，在局部检验统计量具有不同分布形式时，全局检验统计量包含有局部检验统计量和信噪比信息，避免了现有技术信息量损失较多的缺陷，有效提高了检测概率。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明和现有技术不同场景检测概率的仿真对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1，雷达通道个数设为4个，雷达通道的局部检验统计量均采用广义似然比检测算法，雷达通道接收信号的总信噪比设为0到20dB之间，信噪比比值为10：6：2：1。
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1)初始化多通道雷达目标检测系统：
初始化多通道雷达目标检测系统包括信号融合中心Ce和N个雷达通道R＝{rn|n＝1,2,…,N}，目标检测区域Ω，其中，N≥2，rn表示第n个雷达通道；
在本实施例1中N＝4。
步骤2)每个雷达通道计算局部检验统计量并对其进行单调变换：
每个雷达通道rn根据接收的回波信号通过自己的检测算法计算自己的局部检验统计量zn，并通过选择的单调函数gn(x)对局部检验统计量zn进行单调变换，得到每个雷达通道rn对应的单调变换后的局部检验统计量qn；
每个雷达通道rn选择的单调函数gn(x)，选择的准则为：
(2a)根据每个雷达通道rn的局部检验统计量zn计算随机变量T0，并计算目标不存在假设下随机变量T0的分布函数
其中，an表示随机实数，an>0，表示目标不存在假设下T0的概率密度函数；
(2b)判断分布函数是否可通过闭式表达式表示，若是，每个雷达通道rn选择的单调函数为gn(x)＝x，否则，选择满足分布函数/>可通过闭式表达式表示的单调函数gn(x)：
qn＝gn(zn)
其中，qn表示采用满足为闭式表达式的单调函数对局部检验统计量zn进行单调变换所得到的局部检验统计量，T′0表示通过qn计算的随机变量，/>表示目标不存在假设下T′0的概率密度函数。
通过选择的单调函数gn(x)对局部检验统计量zn进行单调变换，得到单调变换后的局部检验统计量qn，变换公式为：
qn＝gn(zn)。
每个雷达通道会接收到来自同一监测区域的单个或多个脉冲回波信号，接收到的回波信号可以只包含检测单元的信号，也可以是包含检测单元和参考单元的信号。其中，检测单元只有一个，包含杂波回波信号和目标回波信号，也可以只包含杂波回波信号，参考单元个数较多，只包含杂波回波信号，不同雷达通道的参考单元数可以是不同的。每个雷达对接收的回波信号可以有不同的信号处理算法，从而形成了不同构造形式的检验统计量。
每个雷达通道rn的局部检验统计量zn可以采用广义似然比检测算法、平方律检测算法或单元平均恒虚警检测算法但不局限于这三种检测算法。
在实施例1中，所有雷达通道采用广义似然比检测算法的检验统计量，下面介绍广义似然比检测算法的检验统计量的计算方式。
通过第n个雷达通道rn接收到的回波信号中包含了来自一个检测单元的回波信号和Kn个参考单元的回波信号，其中接收到的检测单元的回波信号矢量xn(0)，以及第n个雷达通道rn接收到的第j个参考单元回波信号矢量xn(j),j＝1,2,…,Kn，计算rn的检测统计量zn，得到雷达通道集合R的检测统计量Z，Z＝{zn|n＝1,2,3,4}，采用广义似然比检测算法得到的检测统计量zn，计算公式为：
其中，表示在n个雷达通道rn观测的目标导向矢量，Ln表示第n个雷达通道rn的快拍数，Kn表示第n个雷达通道rn的参考单元数，Sn的计算公式如下：
其中，(·)H表示对括号里的矢量进行共轭转置。
在实施例1中设置四个雷达通道的参考单元个数不同，分别为32、29、26、23，并设置四个雷达通道的快拍数均为16，目标检测区域Ω内目标不存在假设下zn的分布服从帕累托分布，其概率密度函数表示为
由于对随机变量zn进行加权求和得到的随机变量的分布函数难以用闭式表达式求出，因此需要选择单调函数gn(x)＝(Kn+1)log(x)对zn进行单调变换，单调变换后的检验统计量表示为qn＝(Kn+1)log(zn)，目标检测区域Ω内目标不存在假设下zn经过单调变换后得到qn的概率密度函数表示为：
可以看出，qn的分布服从指数分布，此时对指数分布随机变量加权求和得到的随机变量T′0的分布函数虽然不是闭式表达式，但可以用数学表达式表示出，因此在给定t'值的时候/>的值能够被精确求解，同样的，给定/>的值后也能精确求解t'的值。
步骤3)每个雷达通道计算每个局部检验统计量的信噪比加权值：
每个雷达通道rn根据目标存在假设下回波信号信噪比估计值为λn时qn的概率密度函数计算对数似然比函数ln(q|λn)的泰勒展开点/>并采用对数似然比函数ln(q|λn)，通过λn和/>计算局部检验统计量qn的信噪比加权值wn，得到N个检验统计量Q的信噪比加权值集合W＝{wn|n＝1,2,…,N}，其中，ln(q|λn)表示在目标存在假设下回波信号信噪比估计值为λn时雷达通道rn的检验统计量qn的对数似然比函数；
对数似然比函数ln(q|λn)的泰勒展开点以及局部检验统计量qn的信噪比加权值wn，计算公式分别为：
其中，表示目标存在假设下回波信号中信噪比估计值为λn时第n个雷达通道rn的对应的单调变换后的检测统计量qn的概率密度函数；ln(q|λn)表示qn的对数似然比函数，/>表示函数[·]对自变量[*]计算的一阶导数，/>表示(·)函数在自变量时的数值，/>表示目标不存在假设下第n个雷达通道rn的检测统计量qn的概率密度函数，log(·)表示以自然数为底(·)的对数。
在实施例1中，对数似然比函数ln(q|λn)，计算公式为：
其中，Φ表示合流超几何函数，其中，Γ(·)表示伽马函数。/>和/>的表达式为
其中，wn表示局部检验统计量qn的加权值，泰勒展开点的具体数值可通过计算机MATLAB软件数值计算得到：
步骤4)信号融合中心计算多通道雷达目标检测系统的全局门限：
信号融合中心Ce通过每个雷达通道rn的信噪比加权值wn对N个局部检验统计量进行加权融合，得到多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y；同时计算目标检测区域Ω中目标不存在假设下多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y的分布函数F0(y)；并通过F0(y)计算多通道雷达目标检测系统的全局门限g；
信号融合中心Ce通过每个雷达通道rn的加权值wn对N个局部检验统计量进行加权融合，计算公式为：
分布函数F0(y)，计算公式为：
其中，fY(y|H0)表示目标不存在假设下多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y的概率密度函数，表示卷积操作，/>表示Ω中目标不存在假设下第n个雷达通道rn对应的单调变换后局部检验统计量qn的概率密度函数。
全局门限g，计算公式为：
其中，Pfa表示多通道雷达目标检测系统的全局虚警概率，表示分布函数F0(y)的逆函数。
在实施例1中，目标不存在假设下多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y服从加权指数分布，并通过Y的分布函数精确计算出门限。在Zhou S H和Liu H W在2011年IETRadar,Sonar&Navigation国际期刊第5卷第3期“Signal fusion-based target detectionalgorithm for spatial diversity radar”中提到服从加权指数分布的随机变量的分布函数经过复杂推导可通过复杂形式的数学表达式表示出。虽然该数学表达式不是闭式表达式，但能够通过这个数学表达式可以精确求解全局门限。全局门限的精确求解是检测器顺利实施的条件之一。
步骤5)获取目标检测结果：
信号融合中心Ce判断Y≥g是否成立，若是，则目标检测区域Ω中存在目标，否则，则Ω中不存在目标。
实施例2对雷达通道采用的检测算法进行了调整，雷达通道r1，r2，r3采用广义似然比检测算法，对应的参考单元数K1，K2，K3分别为32、29、26，快拍数L1＝L2＝L3均为16。雷达通道r4使用平方律检测算法，雷达通道接收信号的总信噪比设为0到25dB之间，信噪比比值为10：6：2：1，其他参数不变。
在实施例2中，雷达通道r4使用平方律检测算法，平方律检测器是一种单脉冲信号检测器。因此在雷达通道r4中，回波信号仅包含检测单元中一个回波脉冲信号x4(0)，而非矢量形式。在平方律检测器中，背景噪声功率以及信噪比是已知的。rn的检测统计量zn，计算公式为：
又因为目标检测区域Ω内存在目标假设下r4的检测统计量z4的分布服从指数分布，因此选择单调函数：
对rn的检测统计量zn进行单调变换得到检验统计量qn，使得对qn进行加权求和得到随机变量服从加权指数分布。然后通过选择的单调函数gn(x)对局部检验统计量zn进行单调变换，得到单调变换后的局部检验统计量qn，变换公式为
在实施例2中，每个雷达通道的局部检验统计量qn的信噪比加权值计算公式：
首先局部检验统计量qn的对数似然比函数ln(q|λn)，计算公式为
第n个雷达通道rn的局部检验统计量qn的信噪比加权值，计算公式为：
其中，泰勒展开点计算公式如下：
其中，概率密度函数n＝1,2,3的具体表达式见实例1。第4个雷达通道的局部检验统计量q4在目标存在和不存在的假设下概率密度函数分布表示为：
其中，μ4表示第4个雷达通道接收到的噪声信号的功率。
在实施例2中的全局门限计算方法以及对目标检测区域进行判决方法与实施例1中相同。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行进一步说明：
1、仿真条件和内容：
仿真条件：在多通道雷达系统中，设置4个雷达通道和一个信号融合中心，融合中心和各雷达通道的虚警概率均设为10-4。
在实例1中，4个雷达通道均使用广义似然比检测算法，每个雷达通道的快拍数均为16，参考单元数分别是32、29、26、23，4个雷达通道的接收到的回波信号中的总信噪比的取值范围均是0dB到20dB以及它们的信噪比之比是10：6：2：1。
在实例2中，雷达通道1，2，3均使用广义似然比检测算法，快拍数均为16，参考单元数分别为32、29、26,雷达通道4使用平方律检测算法，背景噪声功率是1，4个雷达通道的接收到的回波信号中的总信噪比的取值范围均是0dB到25dB以及它们的信噪比之比是7：5：3：1。
仿真过程中软硬件环境，硬件环境：CPU为Inter Core i7-4790，主频为3.60Ghz，主存为8GB。软件环境：Windows 10专业版，MATLAB仿真软件。
对局部检验统计量的分布形式相同时本发明的实施例1与等加权和修正加权多通道雷达目标检测算法，局部检验统计量的分布形式不同时本发明的实施例2与判决融合检测算法的检测概率分别进行仿真试验，其结果如图2(a)和图2(b)所示。
2、仿真结果分析：
参照图2(a)，横坐标表示所有雷达通道接收回波信号的信噪比之和，单位是dB，范围是0dB到20dB,纵坐标表示检测算法的检测概率值，范围在0～1之间。
参照图2(b)，横坐标表示所有雷达通道接收回波信号的信噪比之和，单位是dB，范围是0dB到25dB,纵坐标表示检测算法的检测概率值，范围在0～1之间。
从图2(a)中可以看出，由于本发明在权值中引入信噪比信息，通过本发明(SW)得到的检测概率曲线均高于现有技术中的等加权的多通道广义似然比检测算法(SGLRT)以及修正加权的多通道广义似然比检测算法(MGLRT)的检测概率曲线，最多能提升约20％的检测概率。
从图2(b)中可以看出，本发明采用的基于信噪比加权融合的检测方法(SW)，其检测概率比现有判决融合检测算法的检测概率要高，在判决融合算法中，或融合准则(OR)检测算法高于和融合准则(AND)检测算法的检测概率，本发明相比于或融合准则检测算法，最多能提升约25％的检测概率。
综上，本发明不仅可以在局部检验统计量分布形式相同的场景下提升基于广义似然比检测算法的传统多通道雷达目标检测系统的检测概率，还可以在局部检验统计量分布形式不同的场景下提高多通道雷达目标检测系统的检测概率。

Claims (7)

1.一种基于信噪比加权融合的多通道雷达目标检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)初始化多通道雷达目标检测系统：
初始化多通道雷达目标检测系统包括信号融合中心Ce和N个雷达通道R＝{rn|n＝1,2,…,N}，目标检测区域Ω，其中，N≥2，rn表示第n个雷达通道；
(2)每个雷达通道计算局部检验统计量并对其进行单调变换：
每个雷达通道rn根据接收的回波信号通过自己的检测算法计算自己的局部检验统计量zn，并通过选择的单调函数gn(x)对局部检验统计量zn进行单调变换，得到每个雷达通道rn对应的单调变换后的局部检验统计量qn；
(3)每个雷达通道计算每个局部检验统计量的信噪比加权值：
每个雷达通道rn根据目标存在假设下回波信号信噪比估计值为λn时qn的概率密度函数，计算对数似然比函数ln(q|λn)的泰勒展开点/>并采用对数似然比函数ln(q|λn)，通过λn和/>计算局部检验统计量qn的信噪比加权值wn，得到N个检验统计量Q的信噪比加权值集合W＝{wn|n＝1,2,…,N}，其中，ln(q|λn)表示在目标存在假设下回波信号信噪比估计值为λn时雷达通道rn的检验统计量qn的对数似然比函数；
(4)信号融合中心计算多通道雷达目标检测系统的全局门限：
信号融合中心Ce通过每个雷达通道rn的信噪比加权值wn对N个局部检验统计量进行加权融合，得到多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y；同时计算目标检测区域Ω中目标不存在假设下多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y的分布函数F0(y)；并通过F0(y)计算多通道雷达目标检测系统的全局门限g；
(5)获取目标检测结果：
信号融合中心Ce判断Y≥g是否成立，若是，则目标检测区域Ω中存在目标，否则，则Ω中不存在目标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的每个雷达通道rn选择的单调函数gn(x)，选择的准则为：
(2a)根据每个雷达通道rn的局部检验统计量zn计算随机变量T0，并计算目标不存在假设下随机变量T0的分布函数
其中，an表示随机实数，an>0，fT0(t|H0)表示目标不存在假设下T0的概率密度函数；
(2b)判断分布函数是否可通过闭式表达式表示，若是，每个雷达通道rn选择的单调函数为gn(x)＝x，否则，选择满足分布函数/>可通过闭式表达式表示的单调函数gn(x)：
qn＝gn(zn)
其中，qn表示采用满足为闭式表达式的单调函数对局部检验统计量zn进行单调变换所得到的局部检验统计量，T′0表示通过qn计算的随机变量，/>表示目标不存在假设下T′0的概率密度函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的通过选择的单调函数gn(x)对局部检验统计量zn进行单调变换，得到单调变换后的局部检验统计量qn，变换公式为：
qn＝gn(zn)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的对数似然比函数ln(q|λn)的泰勒展开点以及局部检验统计量qn的信噪比加权值wn，计算公式分别为：
其中，表示目标存在假设下回波信号中信噪比估计值为λn时第n个雷达通道rn的对应的单调变换后的检测统计量qn的概率密度函数；ln(q|λn)表示qn的对数似然比函数，/>表示函数[·]对自变量[*]计算的一阶导数，/>表示(·)函数在自变量/>时的数值，/>表示目标不存在假设下第n个雷达通道rn的检测统计量qn的概率密度函数，log(·)表示以自然数为底(·)的对数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的信号融合中心Ce通过每个雷达通道rn的信噪比加权值wn对N个局部检验统计量进行加权融合，计算公式为：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的分布函数F0(y)，计算公式为：
其中，fY(y|H0)表示目标不存在假设下多通道雷达目标检测系统的全局检验统计量Y的概率密度函数，表示卷积操作，/>表示Ω中目标不存在假设下第n个雷达通道rn对应的单调变换后局部检验统计量qn的概率密度函数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的全局门限g，计算公式为：
其中，Pfa表示多通道雷达目标检测系统的全局虚警概率，表示分布函数F0(y)的逆函数。
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CN117761631A (zh) * 2024-02-22 2024-03-26 中国人民解放军空军预警学院 一种多通道融合检测的方法和装置
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